Paket perlengkapan kantor yang dikemas dengan baik dapat berperilaku mengejutkan. Meskipun terdiri dari banyak bagian yang terpisah, massa yang kusut ini sulit dipisahkan dan dapat berfungsi hampir seperti satu benda padat.
Namun, paket yang sama ini dapat dengan cepat terurai. Dengan getaran atau gerakan yang tepat, staples dapat terpisah dan kembali menjadi kumpulan potongan yang terpisah.
Para peneliti di Departemen Teknik Mesin Paul M. Rady di CU Boulder percaya kombinasi kekuatan dan reversibilitas yang tidak biasa ini dapat membantu menginspirasi generasi baru material rekayasa. Dengan merancang partikel-partikel yang menyatu dengan cara yang sama seperti bahan pokok, mereka berharap dapat menciptakan bahan-bahan yang kuat, mudah beradaptasi, dan berpotensi dapat didaur ulang.
“Kami telah bermain-main dengan gagasan blok bangunan dan geometri selama bertahun-tahun, tetapi kami baru mulai melihat partikel yang bersarang dan terjerat,” kata Profesor François Barthelat, direktur Laboratorium Material dan Bioinspirasi Tingkat Lanjut. “Kami sangat antusias dengan kombinasi properti yang dapat kami peroleh dari sistem ini dan kami yakin teknologi ini memiliki potensi untuk mencapai banyak arah.”
Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di Jurnal Fisika Terapan.
Bagaimana Partikel yang Terjerat Menciptakan Kekuatan
Penelitian ini berfokus pada fenomena yang disebut keterjeratan, yang terjadi ketika partikel saling terkait dan membentuk hubungan satu sama lain.
Keterikatan adalah hal biasa di seluruh alam. Sarang burung, misalnya, mengandalkan jaringan ranting dan serat yang saling terkait untuk mempertahankan strukturnya. Tulang juga memperoleh kekuatan melalui interaksi komponen mineral keras dan protein lunak.
Tim CU Boulder ingin memahami bagaimana prinsip serupa dapat digunakan untuk membuat material rekayasa. Pekerjaan mereka menyoroti faktor penting: bentuk partikel itu sendiri.
“Ambil contoh pasir. Pasir itu halus dan bentuknya cembung, artinya tidak bisa menyatu dari satu butir ke butir lainnya,” kata Youhan Sohn, mahasiswa doktoral. “Namun, kami menemukan bahwa jika kita mengubah bentuk butiran pasir, kita dapat mempengaruhi perilaku dan sifat mekaniknya secara signifikan, termasuk kemampuan partikel untuk berikatan dengan partikel lain.”
Untuk melanjutkan penelitiannya, para peneliti menggunakan simulasi Monte Carlo, sebuah teknik komputer yang memungkinkan mereka mempelajari bagaimana berbagai bentuk partikel berinteraksi. Tujuan mereka adalah mengidentifikasi geometri yang akan memaksimalkan keterjeratan.
Mengapa Partikel Berbentuk Pokok Menonjol
Setelah mengidentifikasi desain yang menjanjikan melalui simulasi, tim melakukan tes sensor untuk mengamati bagaimana partikel berperilaku dalam kondisi dunia nyata.
Hasilnya menunjukkan bahwa partikel “berkaki dua”, menyerupai bahan pokok, menghasilkan tingkat keterjeratan tertinggi. Para peneliti juga menemukan bahwa bentuk ini menawarkan beberapa keuntungan yang tidak terduga.
Salah satu yang paling menonjol adalah kemampuannya untuk menggabungkan kekuatan tarik dan ketangguhan, dua sifat yang seringkali sulit dicapai secara bersamaan pada material konvensional.
“Bahan granular kami yang terjerat menggunakan partikel mirip stapel menunjukkan kekuatan dan ketangguhan yang tinggi,” kata mahasiswa doktoral Saeed Pezeshki.
Partikel mirip stapel juga memiliki ciri lain yang tidak biasa. Mereka dapat dengan cepat bersatu menjadi struktur yang lebih kuat, lalu terpecah dengan cepat.
Dengan menerapkan pola getaran yang berbeda, para peneliti dapat mengontrol kekuatan yang membuat partikel terjerat. Getaran yang lembut mendorong partikel-partikel tersebut menyatu dan memperkuat material, sedangkan getaran yang lebih kuat menyebabkan jaringan terurai.
“Ini merupakan bahan yang aneh karena jelas bukan cairan. Namun, juga tidak sepenuhnya padat. Hal ini membuka kemungkinan rekayasa baru dan menarik,” kata Barthelat. “Memanipulasi sekumpulan partikel yang kusut ini tampaknya sangat jauh dan eksotis.”
Potensi penggunaan dalam konstruksi dan robotika
Para peneliti percaya bahwa teknologi ini pada akhirnya dapat mendukung pendekatan konstruksi yang lebih berkelanjutan.
Di masa depan, jembatan, gedung, dan bangunan besar lainnya dapat dibangun dari material kusut yang kemudian dapat dibongkar, bukan dibongkar. Bahan-bahan ini berpotensi digunakan kembali atau didaur ulang sepenuhnya pada akhir masa pakainya.
Konsep ini juga dapat diterapkan dalam robotika.
“Saya sedang berbicara dengan siswa lain yang berpendapat bahwa teknologi ini dapat digunakan dalam robot gerombolan, di mana robot-robot kecil dapat terjerat, melakukan suatu tugas, dan kemudian terlepas setelah selesai,” kata Pezeshki.
“Ya, seperti logam cair T-1000 di Terminator 2 yang dapat berubah bentuk agar muat di bawah pintu, lalu berubah kembali menjadi ukuran manusia di sisi lain,” tambah Barthelat. “Ini mahal dan pembangunan berskala besar memang menantang, tapi ini adalah sesuatu yang menjadi perhatian semua orang.”
Menguji desain partikel yang lebih kuat
Tim kini melanjutkan ke tahap penelitian berikutnya.
Eksperimen terbaru mereka berfokus pada desain partikel baru yang mencakup “kaki” tambahan yang menonjol. Para peneliti menyamakan bentuknya dengan duri runcing yang melekat erat pada sepatu dan pakaian di luar ruangan. Mereka percaya fitur-fitur tambahan ini dapat menciptakan efek keterikatan yang lebih kuat dan membuka kemungkinan-kemungkinan baru untuk material masa depan.
